30. Изоляционные материалы и конструкции силовых кабелей.
Для передачи электроэнергии высоким напряжением весьма широко применяются кабельные линии. Уровень номинальных напряжений сети, доступный для применения кабельных линий сегодня достигает 500 кВ.
Основными преимуществами кабельных систем электропередачи являются относительно слабое влияние климатических условий при прокладке кабеля в грунте или в тоннеле, компактность трассы кабеля по сравнению с воздушной линией электропередачи, отсутствие необходимости в отчуждении земли и обслуживании земли в области прокладки (налоги, просеки и т. д.)., полная защищённость кабельных линий от ударов молнии.
К недостаткам кабельных линий электропередач следует отнести более сложные технологии обслуживания мониторинга и ремонта в особенности для маслонаполненных кабелей. В частности, замена участка кабельной линии, выполненной маслонаполненным кабелем, требует глубокого охлаждения (жидкий азот) в области реза кабельной линии.
Несмотря на отмеченные трудности, применение кабельных линий для передачи электроэнергии высоким напряжением непрерывно растёт. В целом ряде случае кабельным линиям нет альтернативы – мегаполисы, подводные линии электропередачи.
Значительная часть кабелей высокого напряжения выполняется с применением кабельной бумаги и кабельного масла. Кабельное масло может несколько отличаться от трансформаторного, но в основе своей оно, как и трансформаторное, представляет собой продукт нефтеперегона.
Долгие годы в качестве основной изоляционной системы в кабелях на низкие классы напряжения (до 35 кВ) применялась вязко-пропитанная изоляция.
На верхнем рисунке мы видим конструкцию трёхфазного кабеля с секториально отформованными жилами, изолированными слоями бумаги, пропитанными вязким составом, состоящим из трансформаторного масла (30%) и канифоли (70%). Ленты кабельной бумаги наматываются на жилы по спирали при этом устанавливается некоторый зазор, чтобы избежать разрыва кабельной ленты при изгибных деформациях кабеля. Текучесть такого состава ограничена, но не полностью. Поэтому прокладка такого кабеля при больших перепадах высоты вдоль трассы не допускается, так как это может вызвать истечение пропитывающего компаунда и пробой изоляции. Все три жилы кабеля охвачены поясной изоляцией, а пространство между фазами заполнено низкосортным изоляционным материалом – жгуты, скрученная бумага и т. п. Поверх поясной изоляции накладывается герметическая алюминиевая или свинцовая оболочка, а на оболочке размещается броня в виде стальных лент и проволок. Рабочая напряжённость невысока. Объясняется это нестабильностью состояния изоляционной пропитки (возникновение газовых включений и т.д.). При должном уровне контроля (периодическом измерении частичных разрядов или проверке электрической прочности) уровень «жизни» кабеля может быть достаточно высоким (свыше 100 лет).
Конструкция другого типа кабеля уже на 35 кВ, выполненная по описанному принципу, представлена ниже. В конструкции под номерами 2 и 4 присутствуют металлические экраны, которые обеспечивают правильную структуру электрического поля в каждой фазе (идеальность поля). Это важно, чтобы было гарантировано распределение максимальной напряжённости по поверхности фазы (чтобы не допустить пробоя фазного провода). Отметим, что вследствие наличия в рамках описанной технологии в изоляции газовых включений рабочие напряжённости для вязкопропитаннной изоляции относительно невелики и составляют максимально 3,5 кВ/мм.
Для повышения электрической прочности в фазной изоляции иногда применяется эродированная изоляция. Принцип эродирования основан на формулах ниже (в цилиндрической системе координат).
Повысить электрическую прочность фазной изоляции можно путём её градирования, создавая изоляционную структуры с переменной в пространстве диэлектрической проницаемостью. Как следует из формул выше, если диэлектрическая проницаемость будет убывать по мере удаления от жилы по закону обратного радиуса, то достигается наиболее благоприятное распределение напряжённости с постоянным по радиусу значением. Добиться некоторого приближения к описанной идеально ситуации можно путём применения обмотки фазы с переменной плотностью, создавая более высокую плотность вблизи поверхности жилы и, следовательно, более высокую диэлектрическую проницаемость. На графиках ниже приведён пример такой обмотки, из которого видно, предельно допустимое значение напряжённости достигается в более коротком промежутке, если применять градирование изоляции.
Большей электрической прочностью обладают маслонаполненные кабели (наполнены только трансформаторным маслом). Благодаря возможности циркуляции масла в них, непрерывно пропитываемая в процессе эксплуатации твёрдая изоляция содержит существенно меньше газовых включений по сравнению с кабелями с вязкой пропиткой. Кабели по уровню давления делятся на три типа:
Рост давления благоприятно влияет на диэлектрическую прочность изоляторов, уменьшая образование газовых пузырьков (являющихся главной причиной возникновения пробоя).
На рисунках мы видим две типовые конструкции маслонаполненного кабеля. Слева сечение кабеля с центральным масляным каналом, который располагается внутри токоведущей жилы кольцевого сечения. При этом стенка жилы имеет отверстия перфорации, сквозь которые масло проникает к слоям изоляции (бумага), охватывающим жилу. При таких условиях происходит непрерывная пропитка маслом изолирующих слоев бумаги. Управление режимом продольной циркуляции масла реализуется с помощью установки вдоль трассы кабеля подключаемых к нему баков давления и стопорных муфт. При этом продольные перетоки масла возникают при различии температурных режимов на различных участках кабельной линии. Баки давления осуществляют необходимую компенсацию масляных объёмов при температурных перепадах. Стопорные муфты разбивают линию на отдельные герметичные участки. Технологически такие кабельные системы очень сложны, ведь технически являются маслопроводом (наличие стопорных муфт).
На рисунке справа показана конструкция кабеля в стальной трубе. Данная конструкция может использоваться при высоком давлении масла и вполне конкурента по отношению к маслонаполненным кабелям.
Как уже отмечалось выше технология обслуживания и ремонта маслонаполненных кабельных линий относительно дорога и сложна. Зато кабели практически не подвержены грозовым воздействиям.
В связи с этим многие годы предпринимались попытки создания кабельных линий с пластмассовой изоляцией. Однако лишь в последнее десятилетие появилась изоляция, обладающая высокой надёжностью, электрической прочностью и стойкостью к внешним воздействиям, таким как увлажнение. Ведь обычный полиэтилен не обладает высокими механическими и техническими характеристиками, подвержен воздействию влаги и температуры. В кабельной изоляции речь идёт о так называемом сшитом полиэтилене, технология изготовления которого предполагает образование дополнительных поперечных связей его молекул. Это придаёт полиэтилену характеристики, достаточные для создания кабелей на напряжение до 500 кВ, годных для эксплуатации в любых климатических условиях. Рабочие напряжённости изоляции таких кабелей существенно выше, чем у бумажно-масляных и составляют 60-70 кВ/мм, что создаёт возможность производить кабель а напряжение до 500 кВ в весьма компактных радиальных габаритах. Чаще можно встретить кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена в однофазном исполнении. Цилиндрическая жила кабеля выполнена из нескольких секториально отформованных скруток. Такая конструкция жилы позволяет ограничить влияние скин-эффекта в меди (1,5-2 см) даже для весьма толстых жил. Изолирующий слой полиэтилена отделен от поверхности жилы тонким слоем полупроводящего материала, обеспечивающего выравнивание напряжённости электрического поля на внутренней поверхности изоляционного слоя. Такой же слой и с той же целью нанесён и на внешнюю поверхность изоляционного слоя из сшитого полиэтилена. Поверх слоя основной изоляции располагается металлический экран контролирующий потенциал и, следовательно, электрическое поле в слое основной изоляции. Экран выполнен в виде системы проволок. Поверх экран размещается влагонабухающая лента, герметизирующая кабель при попадании в воду.
На нижнем рисунке показана выполненная по тем же принципам конструкция трёхфазного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена. Наряду с явными преимуществами данного типа кабеля (возможность массового высокотехнологичного производства, применимость для всех классов напряжения, технологичность прокладки, ремонта и обслуживания, более низкая стоимость, высокая рабочая напряжённость, наличие твёрдого диэлектрика) для него присущи и некоторые существенные недостатки.
К недостаткам следует отнести отсутствие способности к самовосстановлению изоляции. Если последствия частичного разряда в бумажно-масляной изоляции со временем исчезают вследствие диффузии масла в область микропробоя, то в пластмассовой изоляции место пробоя не «залечивается». Очень низкая собственная проводимость полиэтилена (малое значение тангенса дельта) создаёт условия для накопления больших значений электрического заряда в толще изоляции при работе под постоянным напряжением, что является причиной развития дендрида и пробоя кабеля. Поэтому эксплуатация и что очень важно испытание таких кабелей постоянным напряжением не допускается. Испытание длинных отрезков кабеля переменным напряжением требует чрезмерно большой мощности испытательных установок из-за очень большой собственной ёмкости кабеля. Требования по мониторингу, диагностики и тестированию таких кабелей в настоящее время ещё окончательно не сформулированы, поскольку не накоплен достаточный опыт их эксплуатации. Также стоит отметить, что испытания на электрическую прочность кабеля проводится при сверхнизкой частоте (порядка 1 Гц).
Несмотря на это энергосистемы в настоящее время закупают и монтируют в основном кабель этого типа. Однако для кабельных линий постоянного напряжения альтернативы бумажно-масляным изоляционным системам пока нет.